【摘 要】
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氧化锆陶瓷因具备高硬度、高温导电性和抗高温等优异的性能,被普遍用于陶瓷刀具、固体燃料电池和耐火材料等领域。由于氧化锆陶瓷室温下为绝缘体,在某些领域的应用受到了限制
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氧化锆陶瓷因具备高硬度、高温导电性和抗高温等优异的性能,被普遍用于陶瓷刀具、固体燃料电池和耐火材料等领域。由于氧化锆陶瓷室温下为绝缘体,在某些领域的应用受到了限制,因此对氧化锆陶瓷的室温导电性进行改善成为目前研究的热门。根据多相陶瓷材料的复相改性原理,将高导电性的TiN和单质金属Ti引入到ZrO2陶瓷中,可望获得室温导电的ZrO2复合陶瓷。本文以微米级的TiN、Ti和ZrO2粉体为原料,利用湿法球磨混合法制取(TiN,Ti)/ZrO2复合粉体,在真空下进行无压烧结,得到(TiN,Ti)/ZrO2复合陶瓷。同时研究了两步烧结法和烧结助剂ZnO对ZrO2复合陶瓷性能的影响。采用XRD、SEM、EDS等分析手段,对ZrO2复合陶瓷的物相组成和组织结构进行分析。借助电阻率测试仪、阿基米德排水法和维氏硬度计分别测试了 ZrO2复合陶瓷的电阻率、致密度及硬度。并对其导电机理进行了分析讨论。得到以下主要结论:TiN的加入可以提高(TiN,Ti)/ZrO2复合陶瓷的导电性和硬度,但降低了其致密度。当TiN含量为20wt.%时,ZrO2复合陶瓷的电阻率为7.75×10-2Ω.cm,硬度为780HV,相对密度为93.38%。当TiN含量为25wt.%时,电阻率可降到5×10-2Ω·cm。(TiN,Ti)/ZrO2复合陶瓷属于添加型导电材料,其导电机理符合渗流导电理论。随着烧结温度的提高,ZrO2复合陶瓷的电阻率呈上升趋势,硬度则先增加后降低。当烧结温度为1200℃时,ZrO2复合陶瓷的电阻率最小为6.46×1-2Ω·cm,烧结温度为1300℃时,其硬度最大为780HV。两步烧结法制备(TiN,Ti)/ZrO2复合陶瓷,在提高其致密性的同时抑制了其晶粒长大,从而提高了 ZrO2复合陶瓷的导电性和硬度。制备(TiN,Ti)/ZrO2复合陶瓷的最佳两步烧结制度为:加热到1300℃然后降温到1100℃保温10h, ZrO2复合陶瓷电阻率为3.35×10-2Ω·cm,硬度为 815HV。ZnO作为烧结助剂对(TiN,Ti)/ZrO2复合陶瓷的性能也有重要影响。随着ZnO掺杂量的增加,ZrO2复合陶瓷的致密度和硬度均呈先上升后下降趋势,而电阻率则呈现先降低再增加的趋势。当ZnO掺杂量为0.5wt.%时,ZrO2复合陶瓷的电阻率最低为6.25×10-2Ω·cm,硬度最大为810HV。
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